本發(fā)明涉及一種巖土介質(zhì)多場耦合技術(shù)，尤其涉及一種在隧道周圍巖土介質(zhì)中溫度-滲流-應力三場耦合相似試驗方法。

背景技術(shù)：

在開挖地鐵隧道的過程中，隧道周圍巖土介質(zhì)的穩(wěn)定性受熱效應(T，受地熱、季節(jié)等因素影響)，滲流效應(H，開挖引起地下水變化)，應力效應(M，開挖引起應力重新分布)以及三者的耦合效應控制。上述幾種因素相互影響，形成隧道開挖的THM耦合模型。Lee等利用滲流-應力耦合模型(HM)分析了隧道表面的穩(wěn)定性(Effect of seepage force on tunnel face stability[J].Can Geotech，2003，40(2))。Ji等利用數(shù)值模擬的方法驗證了隧道開挖過程中滲流-應力(HM)耦合模型(隧道開挖流固耦合數(shù)值模擬[J].巖土力學，2011,32(4))。Zhang等研究了在火災負荷作用下，溫度-應力(TM)耦合對隧道穩(wěn)定性的影響(火災載荷下隧道熱固耦合分析[J].土木工程學報，40(3))。

上述幾種試驗很好地揭示了流固耦合(H-M)，熱固耦合(T-M)對隧道穩(wěn)定性的影響，但是沒有探究溫度-滲流-應力三場耦合效應對地鐵隧道穩(wěn)定性的影響，不能真實反映出隧道周圍巖土介質(zhì)所處的環(huán)境。

巖土體處于一定的地質(zhì)環(huán)境中，受溫度、應力、地下水流動的影響。這三種因素相互作用，相互影響，形成THM耦合效應。溫度可以使巖體產(chǎn)生熱應力，引起巖土體的彈性模量、泊松比等固體特性的改變，同時溫度也會引起地下水密度的變化，影響地下水流動。地下水流動通過對流或傳導改變巖體的溫度分布，地下水的存在也會影響巖土體受力情況。巖土體受力變形會在內(nèi)部產(chǎn)生一定熱量，力學變形也會影響固體熱學特性的變化，同時巖土體孔隙度或滲透特性也會變化。因此對于研究分析隧道的穩(wěn)定性，如能測定THM耦合作用下隧道周圍巖土體的應力和位移變化，并將二者變化規(guī)律與宏觀受力相結(jié)合進行綜合分析，將能進一步對隧道穩(wěn)定性研究提供更為直觀的實驗依據(jù)和理論支撐。

THM三場耦合是一個十分復雜的物理化學過程，研究三場耦合作用下隧道的穩(wěn)定性具有重要意義。因此，如何提供一種試驗方法，能夠測定在THM三場耦合作用下，隧道周圍巖土體的應變和位移變化，對研究隧道穩(wěn)定性有著重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種溫度-滲流-應力三場耦合相似試驗方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明的溫度-滲流-應力三場耦合相似試驗方法，包括步驟：

A、試驗模型設(shè)計：根據(jù)試驗的要求確定試驗模型的幾何尺寸和邊界條件；

B、相似常數(shù)設(shè)計：根據(jù)實驗要求和實驗臺尺寸限制確定幾何相似比α_L；運動相似表現(xiàn)在時間、速度和加速度上，其相似常數(shù)為根據(jù)經(jīng)驗和實驗要求確定容重相似比α_γ；根據(jù)模型和原型對應點具有相同應力平衡微分方程得α_σ＝α_t＝α_L·α_γ，彈性模量和泊松比的相似比為1；

C、應變、溫度監(jiān)測示意圖和水管位置示意圖設(shè)計：采用應變片自動收集應變數(shù)據(jù)的方案，確定應變片在模型中的位置；采用加熱板改變溫度，確定加熱板和溫度傳感器的位置；采用傾斜的水管進行水的滲流控制，確定水管在模型中的位置；

D、相似配比試驗：選擇合理相似配比是本次相似模擬試驗的關(guān)鍵，不同種類的相似材料，其力學性能不同，通過配比試驗，為相似模擬試驗提供合適的配比參數(shù)；

E、試驗材料的準備：按照步驟D的配比參數(shù)準備相應的相似材料；應變片的制作和防潮處理；

F、相似模型的制作：

F1、配料：將步驟E準備的試驗材料移至干凈的空地上加水攪拌均勻；

F2、模型的制作：在試驗平臺上料過程中，堆砌模型的同時安放好模板，塑造試驗模型，人工堆砌模型過程中，注意壓實配比料，并保證薄厚度均勻；

F3、埋設(shè)應變片、加熱板、水管、溫度傳感器：在制作模型時將制作好的應變片、加熱板、水管、溫度傳感器埋入模型中，埋入的位置應根據(jù)設(shè)計示意圖確定；

F4、養(yǎng)護：將試驗模型在干燥通風的條件下進行養(yǎng)護一周，使模型充分干燥，最后聚合為一個整體，實驗臺架根據(jù)實驗具體情況在養(yǎng)護完成后施加不同上覆壓力；

F5、拆模：試驗模型經(jīng)過養(yǎng)護齡期后，將擋板按照由上往下、隔一拆一的順序，依次拆下，操作過程中先松動模具兩側(cè)螺栓，使模型內(nèi)部礦體先接觸空氣，達到透風效果，從而起到縮短模具拆卸時間，拆模過程中注意保護模型，避免損壞模型邊幫；

F6、繪斑：拆模完成后，繪制散斑，散斑由人工用毛筆蘸黑墨水進行點制，繪點需雜亂無章，并保證繪點呈圓形，繪點結(jié)束后，在模型上標注水平高程；

F7、監(jiān)測：模型正前方擺放非接觸全場應變測量儀器，監(jiān)測模型位移；開啟應變儀記錄應變；開啟溫度記錄儀記錄巖體溫度變化；

G、模型的開挖：將溫度和水量調(diào)至設(shè)計參數(shù)，利用手工鑿鉆，開挖隧道。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的溫度-滲流-應力三場耦合相似試驗方法，在THM三場耦合作用過程中能系統(tǒng)的獲得隧道周圍巖土體應變、位移的演化規(guī)律。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中試驗模型設(shè)計示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例中應變片、加熱板、溫度傳感器、水管的位置設(shè)計示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例中PVC管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例中PVC管的布置圖(側(cè)視圖)。

圖5為本發(fā)明實施例中室溫以及加熱板溫度隨時間變化圖。

圖6為本發(fā)明實施例中試驗1-3地表沉降對比圖。

圖7為本發(fā)明實施例中試驗1-3在S1點的垂直應變隨時間變化圖。

圖8為本發(fā)明實施例中THM耦合作用下不同滲透量(試驗3、6、7)地表沉降對比圖。

圖9為本發(fā)明實施例中THM耦合作用下不同溫度(試驗3-5)地表沉降對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明的溫度-滲流-應力三場耦合相似試驗方法，其較佳的具體實施方式是：

包括步驟：

A、試驗模型設(shè)計：根據(jù)試驗的要求確定試驗模型的幾何尺寸和邊界條件；

B、相似常數(shù)設(shè)計：根據(jù)實驗要求和實驗臺尺寸限制確定幾何相似比α_L；運動相似表現(xiàn)在時間、速度和加速度上，其相似常數(shù)為根據(jù)經(jīng)驗和實驗要求確定容重相似比α_γ；根據(jù)模型和原型對應點具有相同應力平衡微分方程得α_σ＝α_t＝α_L·α_γ，彈性模量和泊松比的相似比為1；

C、應變、溫度監(jiān)測示意圖和水管位置示意圖設(shè)計：采用應變片自動收集應變數(shù)據(jù)的方案，確定應變片在模型中的位置；采用加熱板改變溫度，確定加熱板和溫度傳感器的位置；采用傾斜的水管進行水的滲流控制，確定水管在模型中的位置；

D、相似配比試驗：選擇合理相似配比是本次相似模擬試驗的關(guān)鍵，不同種類的相似材料，其力學性能不同，通過配比試驗，為相似模擬試驗提供合適的配比參數(shù)；

E、試驗材料的準備：按照步驟D的配比參數(shù)準備相應的相似材料；應變片的制作和防潮處理；

F、相似模型的制作：

F1、配料：將步驟E準備的試驗材料移至干凈的空地上加水攪拌均勻；

F2、模型的制作：在試驗平臺上料過程中，堆砌模型的同時安放好模板，塑造試驗模型，人工堆砌模型過程中，注意壓實配比料，并保證薄厚度均勻；

F3、埋設(shè)應變片、加熱板、水管、溫度傳感器：在制作模型時將制作好的應變片、加熱板、水管、溫度傳感器埋入模型中，埋入的位置應根據(jù)設(shè)計示意圖確定；

F4、養(yǎng)護：將試驗模型在干燥通風的條件下進行養(yǎng)護一周，使模型充分干燥，最后聚合為一個整體，實驗臺架根據(jù)實驗具體情況在養(yǎng)護完成后施加不同上覆壓力；

F5、拆模：試驗模型經(jīng)過養(yǎng)護齡期后，將擋板按照由上往下、隔一拆一的順序，依次拆下，操作過程中先松動模具兩側(cè)螺栓，使模型內(nèi)部礦體先接觸空氣，達到透風效果，從而起到縮短模具拆卸時間，拆模過程中注意保護模型，避免損壞模型邊幫；

F6、繪斑：拆模完成后，繪制散斑，散斑由人工用毛筆蘸黑墨水進行點制，繪點需雜亂無章，并保證繪點呈圓形，繪點結(jié)束后，在模型上標注水平高程；

F7、監(jiān)測：模型正前方擺放非接觸全場應變測量儀器，監(jiān)測模型位移；開啟應變儀記錄應變；開啟溫度記錄儀記錄巖土體溫度變化；

G、模型的開挖：將溫度和水量調(diào)至設(shè)計參數(shù)，利用手工鑿鉆，開挖隧道。

所述的加熱板為可調(diào)溫硅膠加熱板，尺寸150mm×90mm×1.8mm，工作電壓220V，功率0.5W/cm²，最高使用溫度200℃；

所述的溫度傳感器的探頭為壓簧式熱電偶，測量范圍0～200℃，溫度傳感器的另一端連接溫度記錄儀，長期監(jiān)測溫度變化，一個溫度記錄儀能連接多個溫度傳感器，分別對不同的溫度傳感器進行編號，溫度記錄儀能記錄不同傳感器檢測到的溫度；

所述水管為PVC管，該管的外徑、內(nèi)徑和長度分別為2cm、1.4cm和30cm，在PVC管中有6個直徑為0.5cm的圓形孔。

本發(fā)明的溫度-滲流-應力三場耦合相似試驗方法，在THM三場耦合作用過程中能系統(tǒng)的獲得隧道周圍巖土體應變、位移的演化規(guī)律。

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

隧道開挖溫度-滲流-應力三場耦合作用機理試驗方法，包括如下步驟：

S1、試驗模型設(shè)計：根據(jù)試驗的要求確定試驗模型的幾何尺寸和邊界條件。

S2、相似常數(shù)設(shè)計：根據(jù)實驗要求和實驗臺尺寸限制確定幾何相似比α_L；運動相似表現(xiàn)在時間、速度和加速度上，其相似常數(shù)為根據(jù)經(jīng)驗和實驗要求確定容重相似比α_γ；根據(jù)模型和原型對應點具有相同應力平衡微分方程得α_σ＝α_t＝α_L·α_γ。彈性模量和泊松比的相似比為1。

S3、應變、溫度監(jiān)測示意圖和水管位置示意圖設(shè)計：本實驗采用應變片自動收集應變數(shù)據(jù)的方案，確定應變片在模型中的位置；采用加熱板改變溫度，確定加熱板和溫度傳感器的位置；采用傾斜的水管進行水的滲流控制，確定水管在模型中的位置。

S4、相似配比試驗：選擇合理相似配比是本次相似模擬試驗的關(guān)鍵，不同種類的相似材料，其力學性能不同。通過配比試驗，為相似模擬試驗提供合適的配比參數(shù)。

S5、試驗材料的準備：按照第四步的配比參數(shù)準備相應的相似材料；應變片的制作和防潮處理。

S6、相似模型的制作：

(1)配料：將第五步準備的試驗材料移至干凈的空地上加水攪拌均勻；

(2)模型的制作：在試驗平臺上料過程中，堆砌模型的同時安放好模板，塑造試驗模型，人工堆砌模型過程中，應當注意壓實配比料，并保證薄厚度均勻；

(3)埋設(shè)應變片、加熱板、水管、溫度傳感器：在制作模型時將制作好的應變片、加熱板、水管、溫度傳感器埋入模型中，埋入的位置應根據(jù)設(shè)計示意圖確定；

(4)養(yǎng)護：將試驗模型在干燥通風的條件下進行養(yǎng)護一周，使模型充分干燥，最后聚合為一個整體。實驗臺架可以根據(jù)實驗具體情況在養(yǎng)護完成后施加不同上覆壓力；

(5)拆模：試驗模型經(jīng)過養(yǎng)護齡期后，將擋板按照由上往下、“隔一拆一”的順序，依次拆下。操作過程中需要先松動模具兩側(cè)螺栓，使模型內(nèi)部礦體先接觸空氣，達到透風效果，從而起到縮短模具拆卸時間。拆模過程中注意保護模型，避免損壞模型邊幫等；

(6)繪斑：拆模完成后，繪制散斑。散斑由人工用毛筆蘸黑墨水進行點制，繪點需雜亂無章，但盡量保證繪點呈圓形。繪點結(jié)束后，在模型上標注水平高程；

(7)監(jiān)測：模型正前方擺放非接觸全場應變測量儀器，監(jiān)測模型位移；開啟應變儀記錄應變；開啟溫度記錄儀記錄巖土體溫度變化。

S7、模型的開挖：將溫度和水量調(diào)至設(shè)計參數(shù)，利用手工鑿鉆，開挖隧道。

其中，所述的加熱板為可調(diào)溫硅膠加熱板，具有發(fā)熱快、溫度均勻、熱效率高、強度高等特點。尺寸150mm×90mm×1.8mm，工作電壓220V，功率0.5W/cm²，最高使用溫度200℃，可完全防水。

其中，所述的溫度傳感器探頭為壓簧式熱電偶，測量范圍0～200℃。傳感器另一端連接溫度記錄儀，可長期監(jiān)測溫度變化。一個溫度記錄儀可連接多個傳感器，分別對不同傳感器進行編號，溫度記錄儀可記錄不同傳感器檢測到的溫度。

其中，所述水管為PVC管，該管的外徑，內(nèi)徑和長度分別為2cm，1.4cm和30cm。在PVC管中有6個圓形孔(直徑為0.5cm)。

本發(fā)明具有以下有益效果：

實現(xiàn)了溫度-滲流-應力三場耦合，系統(tǒng)的揭示了隧道周圍巖土體在THM三場耦合作用下的應力、位移的演化規(guī)律。

實現(xiàn)了在材料中制造溫度源和滲流源，并且溫度源和滲流源的位置可以根據(jù)試驗目的不同做出改變。

實現(xiàn)了對巖土體溫度的長期監(jiān)測，對滲流量和熱源溫度的控制，對耦合時間和順序的可控。

具體實施例：

本發(fā)明實施例所使用的隧道THM三場耦合機理試驗模型設(shè)計示意圖如圖1所示。試驗選取北京地鐵五號線區(qū)間隧道為研究對象，地層條件為粉質(zhì)黏土、黏土、中粗砂組成，覆土厚度最小為9m，最大為18m。試驗模擬隧道埋深18m，幾何相似比為30，根據(jù)北京地鐵區(qū)間隧道標準斷面(結(jié)構(gòu)高度為6.28m，跨度為5.8m，等效洞徑為6.3m)，相似理論換算得到模型實驗臺架中有機玻璃板開洞直徑為0.2m，洞底距試驗臺架底部30cm。加載模型為T字鋼，底部為矩形墊片，保證載荷均勻。隧道模型均采用夯實填筑法制作，模型尺寸2.0m×1.1m×0.3m(寬×高×厚)。試驗分七次進行，具體過程見步驟6。

實施例：

S1、試驗模型設(shè)計：設(shè)計示意圖如圖1所示；

S2、相似常數(shù)設(shè)計：本試驗幾何相似常數(shù)取α_L＝30；根據(jù)該試驗模塊容重和抗壓強度關(guān)系，容重相似常數(shù)取為α_γ＝1；黏聚力相似常數(shù)為α_c＝30；

S3、應變、溫度監(jiān)測示意圖和水管位置示意圖設(shè)計：設(shè)計示意圖如圖2所示；

S4、相似配比試驗：試驗選用沙子、石灰、石膏作為模擬材料，利用這些材料按照不同的配比做成相應的試塊，經(jīng)過養(yǎng)護期后，通過單軸抗壓力學試驗，得到合適的材料配比為7:0.4:0.6(沙子:石灰:石膏)。

S5、試驗材料的準備：按照第四步的配比參數(shù)準備相應的相似材料；本次試驗選用BX120-50AA型應變片，將應變片上的油污用脫脂棉球蘸上無水酒精等溶劑進行充分擦洗，清洗干凈后勿用手去接觸。用電烙鐵焊接導線、端子。要注意分清連接端子的正反面，引出線不能拉得過緊導致斷路，也不能太松，避免因兩引出線接觸或引出線和試件外端接觸導致短路。連接好的試件放在長約80mm，寬約10mm的長方形塑料外殼上，用自制AB膠充滿與塑料外殼縫隙。該過程中在干燥通風條件下進行，避免接觸水。用低壓電阻表測量制作好的應變片引出線和金屬試件之間的絕緣電阻值是否符合初值120歐姆。

S6、相似模型的制作：

(1)配料：用標準電子秤稱量各材料(含水、石灰、石膏、砂)所需配比量，移至干凈的空地進行攪拌，井盡量保證原料攪拌均勻后放上特定量水，制成配比料；

表1原型及模型物理力學指標表

(2)模型的制作：在試驗平臺上料過程中，堆砌模型的同時安放好模板，塑造試驗模型。人工堆砌模型過程中，應當注意壓實配比料，每次使整體模型增高3cm，直到模型高1.1m。并保證薄厚度均勻。

(3)埋設(shè)應變片、加熱板、水管、溫度傳感器：試驗1不需要埋設(shè)熱源和滲流源，試驗2在模型堆砌過程中要把PVC管、應變片埋入模型中。試驗3在模型堆砌過程中加入硅膠加熱板(設(shè)置溫度為48℃)、PVC管、應變片、溫度傳感器，參照圖2和圖4，應變片(圓形點)在洞周圍沿四個方向布置三圈，沿徑向布置的應變片距離為5cm，第一圈應變片距洞壁也是5cm。試驗4溫度設(shè)置為28℃，試驗5設(shè)置為38℃，其余設(shè)置同試驗3相同。試驗6將滲透量設(shè)置為100ml(通過改變PVC管的直徑)，其余設(shè)置同試驗3相同。試驗7將滲透量設(shè)置為300ml，其余設(shè)置同試驗3相同。計算出各個應變片安裝點到模型底板和模型兩側(cè)的垂直距離，當模擬材料堆砌到特定位置時埋入應變片。四根PVC管關(guān)于臺架中心線對稱，布置與同一水平線，每根管中心間距15cm，管中心距隧道頂部的垂直距離為7cm。將鋼管部分垂直于模型正面且傾斜埋入模擬材料中，傾斜角度30度。距洞壁12cm切于圓周上下左右4個點埋入加熱板(長條形)。溫度傳感器(方形點)距離加熱板垂直距離10cm；

(4)養(yǎng)護：將試驗模型在干燥通風的條件下進行養(yǎng)護一周，使模型充分干燥，最后聚合為一個整體；

(5)拆模：試驗模型度過養(yǎng)護齡后，將擋板按照由上往下、“隔一拆一”的順序，依次拆下。操作過程中需要先松動模具兩側(cè)螺栓，使模型內(nèi)部礦體先接觸空氣，達到透風效果，從而起到縮短模具拆卸時間。拆模過程中注意保護模型，避免損壞模型邊幫等；

(6)繪斑：拆模完成后，繪制散斑。散斑由人工用毛筆蘸黑墨水進行點制，繪點需雜亂無章，但盡量保證繪點呈圓形。繪點結(jié)束后，在模型上標注水平高程；

(7)監(jiān)測：模型正前方擺放VIC-3D非接觸全場應變測量儀器，調(diào)試好監(jiān)測系統(tǒng)。通過吊燈調(diào)整室內(nèi)模型亮度，同時保證室內(nèi)用電安全、試驗安全。調(diào)零處理后，需用散斑板進行設(shè)備矯正處理，同時將監(jiān)測攝像頭拍攝頻率設(shè)置每3分鐘拍照一次。準備工作完成后，監(jiān)測開始。試驗過程中，保證監(jiān)測設(shè)備實時工作，并保證設(shè)備的安全性。開啟應變儀和溫度記錄儀記錄應變和溫度。

S7、模型的開挖：開挖步長取5cm，臺階高度取10cm，每開挖一步用時30分鐘。直至隧道開挖完畢。

表2開挖步驟說明

試驗結(jié)果分析：

由圖6可知實驗2(HM)的隧道沉降值最大，實驗1(M)最小，實驗2(THM)居中，滲流作用導致土體的土骨架變化，造成土體的彈性模量減小，地表沉降量增大；高溫引起土體的膨脹，造成地表沉降量減小。

由圖7可知試驗1-3隨著開挖的進行，揭示了在M、HM、THM作用下S1監(jiān)測的垂直應變(ε_yy)的演化規(guī)律。對比發(fā)現(xiàn)溫度和滲流對隧道周圍巖土體的穩(wěn)定性均有影響。

圖8通過對比試驗3、4、5中對地表沉降量的監(jiān)測，揭示了在THM耦合作用中不同滲透量對地表沉降的影響。結(jié)果顯示滲透量越大，地表沉降越大。因此對于降水量較大或地下水比較豐富的地區(qū)，隧道開挖過程中應該加強支護措施。

圖9通過對比試驗3、6、7中對地表沉降量的監(jiān)測，揭示了在THM耦合作用中不同溫度對地表沉降量的影響。結(jié)果顯示溫度越高，地表沉降量越小。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。